Confronto di scala in un reattore sistema fotosintetico per Algal Bonifica delle acque reflue

Riepilogo

Una metodologia sperimentale è presentato per confrontare le prestazioni di piccole dimensioni (100 L) e grande (1.000 L) scala reattori progettati per le alghe bonifica delle discariche delle acque reflue. Caratteristiche del sistema, tra cui la superficie in rapporto al volume, tempo di ritenzione, densità della biomassa, e le concentrazioni di alimentazione delle acque reflue, possono essere regolati in base all'applicazione.

Abstract

Una metodologia sperimentale è presentato per confrontare le prestazioni di due reattori di dimensioni diverse progettati per il trattamento delle acque reflue. In questo studio, la rimozione dell'ammoniaca, rimozione dell'azoto e la crescita delle alghe sono confrontati su un periodo di 8 settimane in set accoppiati di piccoli (100 L) e grandi (1.000 L) reattori progettati per la bonifica delle discariche algale delle acque reflue. Contenuti di piccole e grandi dimensioni reattori sono stati mescolati prima dell'inizio di ogni intervallo di prova settimanale per mantenere condizioni iniziali equivalenti attraverso le due scale. Caratteristiche del sistema, tra cui superficie in rapporto al volume, tempo di ritenzione, densità della biomassa, e le concentrazioni di alimentazione delle acque reflue, possono essere regolate per equalizzare meglio le condizioni che si verificano a entrambe le scale. Durante il breve periodo di 8 settimane di tempo rappresentativo, ammoniaca partenza e concentrazioni totali di azoto variava 3,1-14 mg NH ₃ -N / L, e 8,1-20,1 mg N / L, rispettivamente. Le prestazioni del sistema di trattamento è stata valutata sulla basela sua capacità di rimuovere l'ammoniaca e l'azoto totale e per produrre biomassa algale. Media ± deviazione standard di rimozione dell'ammoniaca, la rimozione di azoto totale e tassi di crescita della biomassa erano 0,95 ± 0,3 mg NH ₃ -N / L / giorno, 0,89 ± 0,3 mg N / L / giorno, e 0,02 ± 0,03 g biomassa / L / giorno, rispettivamente. Tutte le navi hanno mostrato una relazione positiva tra il tasso di rimozione concentrazione di ammoniaca e l'ammoniaca iniziale (R ² = 0,76). Confronto di efficienza dei processi e dei valori di produzione misurati nei reattori di scala diversa può essere utile per determinare se la produzione su scala dati sperimentali è appropriato per la previsione dei valori di produzione su scala commerciale.

Introduzione

Traduzione dei dati banco di scala per le applicazioni su scala più ampia è un passo fondamentale nella commercializzazione di bioprocessi. Efficienze di produzione in reattori di piccole dimensioni, in particolare quelli concentrandosi sull'uso di microrganismi, hanno dimostrato di prevedere coerente nel efficienze verificano nei sistemi su scala commerciale ^{1, 2, 3, 4.} Sfide esistono anche in scala la coltivazione fotosintesi delle alghe e cianobatteri dalla scala di laboratorio a sistemi più grandi per la fabbricazione di prodotti di alto valore, come cosmetici e farmaceutici, per la produzione di biocarburanti, e per il trattamento delle acque reflue. La domanda di larga scala di produzione di biomassa algale è in crescita con l'industria emergente per le alghe in biocarburanti, prodotti farmaceutici / nutraceutici e alimenti per il bestiame ^5. La metodologia descritta inquesto manoscritto scopo di valutare l'influenza della crescente scala di un sistema di reattore fotosintetico sul tasso di crescita della biomassa e rimozione dei nutrienti. Il sistema qui presentata utilizza alghe remediate percolato di discarica delle acque reflue, ma possono essere adattati per una varietà di applicazioni.

Produzione efficienza dei sistemi su larga scala sono spesso previsti utilizzando esperimenti su piccola scala; Tuttavia, diversi fattori devono essere considerati per determinare l'accuratezza di queste previsioni, come scala ha dimostrato di influire sulle prestazioni del bioprocessi. Ad esempio, Junker (2004) ha presentato i risultati di un confronto di otto reattori di fermentazione diverse dimensioni, che vanno da 30 L a 19.000 L, che ha dimostrato che la produttività effettiva a Pilot- o commerciali scale era quasi sempre inferiori ai valori previsti utilizzando piccole studi -scale ^4. Le disuguaglianze nella dimensione nave, il potere di miscelazione, il tipo di agitazione, la qualità dei nutrienti, e il trasferimento di gas sono stati previsti per essere ille principali cause della riduzione della produttività ^4. Allo stesso modo, è stato dimostrato in reattori crescita delle alghe che la crescita della biomassa e dei relativi prodotti da biomassa sono quasi sempre ridotti quando scala è aumentata ^6.

Fattori biologici, fisici e chimici cambiano con le dimensioni di un reattore, con molti di questi fattori che influenzano l'attività microbica alle piccole scale diverso rispetto a scale più grandi ^{2, 7.} Poiché la maggior parte dei sistemi in scala per alghe, quali vasche raceway, esiste all'aperto, un fattore biologico da considerare è che le specie microbiche e batteriofagi possono essere introdotte dall'ambiente circostante, che possono alterare le specie microbiche presenti e quindi la funzione microbica del sistema. L'attività della comunità microbica sarà anche sensibili a fattori ambientali, come luce e temperatura. i trasferimenti di massa di gas e movimento fluido sonoesempi di fattori fisici che sono influenzati nella scala di processi microbici. Il raggiungimento di miscelazione ideale in piccoli reattori è facile; Tuttavia, con l'aumento della scala, diventa una sfida per progettare le condizioni ideali di miscelazione. A scala più ampia, i reattori sono più probabilità di avere zone morte, miscelazione non ideale, e le efficienze ridotti nel trasferimento di massa ^2. Dal momento che le alghe sono organismi fotosintetici, la crescita commerciale deve tiene conto di cambiamenti di esposizione alla luce a causa di cambiamenti nella profondità dell'acqua e la superficie quando si aumenta il volume. Ad alta densità di biomassa e / o basse velocità di trasferimento di massa possono causare una diminuzione delle concentrazioni _di CO ₂ e un aumento delle concentrazioni _di O _2, entrambi i quali possono provocare l'inibizione della crescita della biomassa ^8. Fattori chimici in un sistema di crescita delle alghe sono guidati da dinamiche pH dell'ambiente acquatico ^2, che deve quindi influenzato dalle variazioni dei composti pH tampone quali CO disciolta _{2 e carbonato di specie. Questi fattori sono aggravati da complesse interazioni tra i fattori biologici, fisici, chimici e, spesso in modo imprevedibile ^9.}

Questo studio presenta un sistema di reattore abbinato concepito per regolare e confrontare le condizioni di crescita in vasi di due scale diverse. Il protocollo sperimentale si concentra sulla quantificazione trattamento del percolato e la crescita delle alghe; Tuttavia, potrebbe essere adattato per monitorare altri parametri quali i cambiamenti nella comunità microbica nel tempo o di CO ₂ potenziale sequestro di alghe. Il protocollo qui presentato è stato progettato per valutare l'effetto di scala sulla crescita delle alghe e la rimozione dell'azoto in un sistema di trattamento del percolato.

Protocollo

Configurazione 1. Sistema

Nota: Un 'sistema accoppiato' si riferisce ad un acquario e uno stagno Raceway, in parallelo.

1. Per un sistema accoppiato, utilizzare uno serbatoi 100 L acquari (AT), con un mixer in testa per la nave su piccola scala, e di scorrimento stagno 1.000 L (RWP), con un miscelatore ruota a pale per la nave su larga scala. Le navi utilizzate in questo sistema sono raffigurati in Figura 1.
2. Seminare tutte le navi con la stessa cultura di alghe. Utilizzare un'alta densità di inoculo, con conseguente densità finale non inferiore a 0,1 g / L, una volta diluito al massimo volume nel serbatoio o stagno ^10. Si può prendere una notevole quantità di tempo (settimane o mesi) per crescere abbastanza alghe per questo passo.
3. Utilizzare trattata percolato di discarica come fonte di nutrienti. Utilizzare percolato preso da una discarica che accetta rifiuti per lo più domestici e ha bassi livelli di tossine. analisi della composizione per il percolato dovrebbe essere disponibile dalla discarica. Tegli quantità di percolato utilizzato in ciascun serbatoio o stagno può variare a seconda della forza del refluo, ma le concentrazioni di ammoniaca finali dovrebbero misurare 5-75 mg NH ₃ -N / L.
4. Avviare il serbatoio acquari 100 L con un volume di lavoro 60 L, e lo stagno canalizzazione con un volume di lavoro di 600 L. Questo studio è iniziato con circa 1 L percolato in 59 L di acqua nel serbatoio acquari, e 10 L percolato in 590 L di acqua nello stagno canalina. Aumentare la concentrazione di percolato utilizzato nel corso di questo studio.

Figura 1. Esempi di un acquario e stagno Raceway. Un esempio di un acquario serbatoio (A) e stagno canalina (B) sono presenti. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

2. Funzionamento settimanale e campionamento

1. Azionare il serbatoio acquari e stagno pista come reattori semi-batch con tempi di ritenzione idraulica di tre settimane. Ciascun periodo di campionamento estende una settimana.
2. Prelevare un campione 125 mL da ciascuna nave. Questo è l'inizio del campione settimana. I campioni di prova in base al protocollo di analisi del campione in sezioni 3.1-3.3.
3. Alla fine della settimana, prendere 125 campioni mL da ciascuna nave per l'analisi. Dopo sono stati prelevati campioni di fine settimana, svuotare l'intero volume della vasca dell'acquario nello stagno pista.
   1. Una volta a settimana, pompare l'intero volume della vasca dell'acquario nello stagno pista.
4. Rimuovere un terzo del volume (per un tempo medio di ritenzione idraulica di 3 settimane) dallo stagno canalina. Sostituire volume rimosso con acqua e percolato non trattato.
5. Trasferire circa 60 L dal laghetto pista nel serbatoio acquario. Questo assicura che l'acquario tank e lo stagno pista iniziano con le stesse condizioni di nutrienti e biologiche ogni settimana.
6. Prendere 125 campioni mL da tutte le navi per l'analisi delle condizioni di partenza per la prossima settimana.

Analisi 3. Campione

1. Testare tutte inizio-of-the-settimana e end-of-the-week campioni per ammoniaca-N, nitrato-N, nitriti-N, e la densità della biomassa.
2. Misurare biomassa da solidi sospesi totali normali (TSS) di protocollo, ASTM-D5907, utilizzando 0,45 micron filtri.
   1. Prima pesare una carta da filtro e poi filtrare 20-40 ml di campione con un sistema di filtrazione a vuoto. Essiccare la carta biomassa / in stufa a 105 ° C per un'ora, o fino a quando il peso della carta biomassa / filtro non cambia più.
   2. Pesare carta da biomassa / filtro, e sottrarre la massa iniziale della carta da filtro. Dividere questa massa dal volume filtrato per calcolare la densità della biomassa. Eseguire in duplicato ^11.
3. Misura ammoniaca,nitrati e nitriti spettrofotometricamente utilizzando uno spettrofotometro.
   1. Utilizzare 100 ml di campione nel kit metodo commerciale per determinare la concentrazione di ammoniaca. Fare riferimento al protocollo del produttore.
   2. Usare 1 ml di campione nel kit metodo commerciale per determinare la concentrazione di nitrati. Fare riferimento al protocollo del produttore.
   3. Utilizzare 10 ml di campione nel kit metodo commerciale per determinare la concentrazione di nitriti. Fare riferimento al protocollo del produttore.
4. Monitorare le condizioni ambientali (temperatura dell'aria, radiazione solare, velocità del vento) utilizzando una stazione meteorologica commerciale, nonché serbatoio / condizioni stagno (temperatura dell'acqua, pH, ossigeno disciolto) utilizzando sonde commerciali e data logger. Fare riferimento al protocollo del produttore.

4. Analisi statistica dei risultati

1. Determinare se i dati raccolti è statisticamente normale. Determinare la normalità del set di dati utilizzando un diagramma QQ ¹² .
2. Determinare correlazioni tra parametri utilizzando r di Pearson o p di Spearman per i dati normali e non normali, rispettivamente ^13. parametri di correlazione devono includere almeno i seguenti parametri: concentrazione iniziale di ammoniaca, concentrazione di azoto totale iniziale, densità della biomassa iniziale, tasso di rimozione di ammoniaca, tasso di rimozione dell'azoto totale, il tasso di crescita della biomassa, e tutte le condizioni ambientali.

Risultati

Lo scopo di questo studio è quello di confrontare la crescita della biomassa e le capacità di rimozione dei nutrienti di colture algali coltivate in reattori di piccole e grandi dimensioni. Questo studio utilizza due sistemi accoppiati, denominato Sistema 1 e Sistema 2, per duplicare le sue conclusioni. Questi risultati sono rappresentativi di un periodo di 8 settimane, febbraio ad aprile 2016. Il primo stagno Raceway è stato inoculato con alghe originariamente provenienti da uno stag...

Discussione

Prestazione del sistema:

Nel corso di uno studio di 8 settimane, la produttività dei vasi piccola e grande scala in un sistema sono stati confrontati. In questo azoto studio e tassi di rimozione di ammoniaca e di crescita di biomassa sono state usate come misure di produttività del sistema di trattamento. Il sistema è stato utilizzato come reattore semi-batch, dove ogni settimana è stato operato in condizioni discrete. Risultati rappresentativi rappresentano le prime 8 settimane di funziona...

Materiali

Name	Company	Catalog Number	Comments
Aquarium Tank			Any 100+ L aquarium tank with optically clear glass can be used
RW 3.5	MicroBio Engineering		Raceway Pond
Eurostar 100 digital	IKA	4238101	Overhead mixers
Leachate	Sandtown Landfill
Sampling Bottles	Nalgene		Plastic or glass, lab grade, 125-200 mL
Transfer Pumps			Garden type pump with drinking water quality hoses will be suitable
AmVer Salicylate Test 'N Tube	Hach	2606945	High Range Ammonia Tests
NitraVer X Nitrogen - Nitrate Reagent Set	Hach	2605345	High Range Nitrate Tests
NitriVer 2 Nitrite Reagent Powder Pillows	Hach	2107569	High Range Nitrite Tests
Hach DR2400 Spectrophotmeter	Hach		The DR2400 was discontinued, but any DR series Hach spectrophotometer can be used in this application.
EMD Microbiological Analysis Membrane Filters	Millipore	HAWG047S6	0.45 µm filters